专利名称：隧道掌子面前方远距离含水目标体的瞬变电磁预报方法
技术领域：
本发明涉及地球物理勘探领域，特别是涉及隧道掌子面前方远距离含水目标体的瞬变电磁预报方法。
背景技术：
二十一世纪是隧道或隧洞和地下工程大发展的时期。随着西部大开发和我国全面建设小康社会的宏伟蓝图的制定，以及坚持以人为本、全面、协调可持续发展策略的具体实施，我国铁路到2020年间将规划建设“四纵四横”快速客运网、加快建设煤炭运输通道和集装箱节点站；公路国家规划建设“五纵七横”国道主干线建设，完善公路网络，充分提高路网通达深度；水利水电工程，重点是南水北调中的西线引水工程，及一大批引水隧洞水电枢纽工程。而我国尤其是西部多为高山峻岭、大江大河，上述大型工程的建设，都需要修建大量的隧道或隧洞及地下工程。仅据铁道部门预测要完成“四纵四横”快速客运网的建设就要新修建大约3万km的铁路，据初步统计大约要新修建2200座约2270多公里的隧道。而这些隧道或隧洞主要穿越崇山峻岭，具有长度大(几公里至几十公里)、断面大(达100m2)、 深埋大(大于500m)等特点。上述工程隧道建设中将会遇到较为复杂的地质环境条件，如碳酸盐分布地区的岩溶、暗河、岩溶陷落柱，高地应力区的岩爆、煤系地层中的煤与瓦斯突出，复杂的地质构造及地下水突涌、塌方、大变形等地质灾害。随着我国铁路、公路运输、隧道及水电建设南水北调引水隧洞建设的加快，隧道或隧洞的勘查设计时间比较短，在隧道或隧洞工程建设开发之前，很难提供足够的时间物资来用于详细的岩土工程地质勘察，况且我国目前的勘察手段、钻探等很难准确的全面的探明整座隧道或隧洞工程地质、水文地质等条件，很难查明所有的不良地质作用。特别对那些埋深大(如锦屏水电枢纽引水隧洞工程，一般埋深1900m左右，最大埋深达2300m)，长度大 (如南水北调引水隧洞工程穿越雅龙江一大渡河的分水岭隧洞长71. 4km)，地质环境条件又复杂的隧道或隧洞。因此隧道或隧洞建设工程的超前地质预报技术的应用迫在眉前提上日程。隧道或隧洞施工超前地质预报由来已久，俄、英、法、日、德等国将其列为隧道或隧洞和地下工程或矿山巷道建设的重要内容。随着我国采矿工业(煤、有色金属、黑色金属) 的发展，都相继建立了为矿山井巷服务的地质专业队伍，采用了地质编录法。对隧道掘进前方30m左右可能遇到的断层、地下水、瓦斯等提出预报。铁道部是我国开展隧道施工较早的单位之一，50年代中期铁二院在渝黔线凉风垭隧道施工中即以地质编录法为手段进行了超前地质预报，随着隧道施工的不断增加，特别是在20世纪90年代以来，在铁道部各勘测设计院、铁科院、中铁西南科学研究院，尤其是在以刘志刚教授为首石家庄铁道学院桥隧地质所的带领和帮助下隧道施工超前预报工作全面开展，并取得了良好的效果，目前铁道部已将隧道施工超前地质预报工作纳入隧道施工的必要工序进行管理。公路隧道施工，水利水电隧洞施工超前地质预报工作也逐渐开展起来。总的看来，当前和今后一个时期，隧道或隧洞施工超前地质预报必将进入一个重要的发展阶段。综合国内外隧道或隧洞超前地质预报的技术手段和方法主要有地质类方法、物探类方法、水平钻探法三大类。物探类方法主要包括TSP法、地震反射波层析成像技术-TRT 法、地震负视速度法、地质雷达法、HSP法-水平声波反射法、陆地声纳法、高密度电法、多频电磁法、红外探水。目前国内外使用的TSP隧道地震波超前地质预报系统，是专门为隧道及地下工程施工超前地质预报研制开发的。但是，该系统成本高，而所提取的信息量较小，对隧道施工中的关键问题一水的预报成功率很低；地震反射负视速度法、陆地声纳均属弹性波法中的反射波法，这两种方法均对直立目标体有明显反映，而对倾斜目标体和折射特征明显的宽大破碎带，特别是对破碎带中是否充有承压水则显得无能为力；远红外遥感探测利用接近地下水时，由于大量地下水温度偏低，在掌子面上可测出温度逐渐下降的趋势来判定。但温度的高低与地下水并非一一对应的关系，因此在应用中效果也很难令人满意；而超前钻探成本高、周期长，对施工进度的影响较大，因此主要用于中、长期监测不良地层段。目前在施工中探测掌子面前方的地下水，尚是一个待攻克的难题。1995年铁道部隧道地质科技技术鉴定会上，到会的国内一流专家们就提出这是应该继续研究的重要内容。所以必须采用新的方法技术才能解决隧道施工掌子面前方的地质预报问题。瞬变电磁法作为一种重要的电磁勘探方法，以其独特的优点(经济、无损、快速、 精度高、信息丰富等)广泛应用于资源勘探与工程勘察中。瞬变电磁法有对低阻充水破碎带反映灵敏的特点，而且接收探头中接收到的由激发涡流感应出的二次场，不论目标体产状如何，均能收到有用信号，对目标体进行成像。这无疑给瞬变电磁法勘探应用于隧道超前地质预报展示了美好的发展前景。瞬变电磁测深法是一种时间域电磁法。瞬变电磁法的测量原理是利用不接地回线或电偶源向地下(或者掌子面方向)发送一次脉冲磁场或电场，即在发射回线上供一个电流脉冲方波，方波后沿下降的瞬间，将产生一个向地下传播的一次瞬变磁场，在该磁场的激励下在地质体内产生涡流，其大小取决于该地质体的导电能力，导电能力强则感应涡流强。 在一次场消失后，涡流不能立即消失，它将有一个过渡过程或衰减过程，该过渡过程又产生一个衰减的二次场向地下传播。在地表(或者掌子面上)用接收线圈接收二次磁场，该二次磁场的变化，将反映地下介质的电性情况，在接收机中按不同的延迟时间测量二次感应电动势，得到二次场随时间衰减的特性。瞬变电磁法之前主要用于金属矿勘探，1992年以后随着仪器的智能化与数字化， 瞬变电磁法开始步入工程、环境、灾害地质调查中，如探测地下采空区，陷落柱等煤田灾害， 划分地下断层、寻找地下水，金属矿产勘探、石油、煤炭等非金属矿产调查、工程场地地质勘察、隧道超前地质预报等领域。目前，瞬变电磁法已经几乎涉足了勘探地球物理的所有领域，取得了良好的效果。随着电子技术特别是计算机技术的发展，国内外研制的用于地面勘探的瞬变电磁法勘探仪器不断涌现。作为一种轻便型的瞬变电磁仪器，MSD-I脉冲瞬变电磁仪采用高精度宽带程控运算放大器、高速十六位模数转换器、高速双口随机存储器等进口先进器件，并利用双极性同步采样、对工频相干采样、弱信号多点平均、信号累加、瞬态干扰剔除等多种数据处理方法，获取较好的勘探数据。该仪器收发一体化，轻便小型，不仅适于中浅层工程勘察及构造研究等现场使用，更适合于隧道掌子面超前预报探测，但是由于这一款仪器的功率较小，所以其探测距离有限。由于隧道掌子面前方远距离的含水目标体的低电阻的特性，如何借鉴上述现有地面勘探中瞬变电磁法成熟的技术，提取出对隧道掌子面前方远距离的含水目标体敏感的参数，获得隧道掌子面前方远距离的含水目标体的信息。总之，需要本领域技术人员迫切解决的一个技术问题就是如何能够找到一种有效的方法，能够进行瞬变电磁法的隧道掌子面前方远距离的含水目标体信息的拾取，获得隧道掌子面前方远距离的含水目标体的信息。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供了隧道掌子面前方远距离含水目标体的瞬变电磁预报方法，能够获得隧道掌子面前方远距离的含水目标体的信息，从而实现采用瞬变电磁法，对隧道掌子面前方远距离的含水目标体进行预报的过程。为了解决上述问题，本发明公开了隧道掌子面前方远距离含水目标体的瞬变电磁预报方法，包括通过使用中功率瞬变电磁仪，对隧道掌子面前方远距离含水目标体进行探测，获得隧道掌子面前方远距离含水目标体的观测数据；通过采用阻尼最小二乘算法，完成视电阻率数据的反演过程，获得隧道掌子面前方远距离含水目标体的视电阻率参数；通过采用遗传算法，获得隧道掌子面前方远距离含水目标体的电导率参数；依据所获得的视电阻率参数及电导率参数，对观测数据进行解释，获得隧道掌子面前方远距离含水目标体的信息。优选的，所述隧道掌子面前方远距离含水目标体的预报距离范围为0至100米之内。优选的，所述隧道掌子面前方远距离含水目标体的信息为隧道掌子面前方远距离含水目标体的电性信息、位置信息、大小信息及形状信息。优选的，所述中功率瞬变电磁仪通过采用在小功率瞬变电磁仪的基础上，外加中功率发射机的方法，实现了对隧道掌子面前方远距离含水目标体进行预报的过程。优选的，所述通过使用中功率瞬变电磁仪，对隧道掌子面前方远距离含水目标体进行探测，获得隧道掌子面前方远距离含水目标体的观测数据的步骤，包括通过发射机的发射操作，完成发射操作；通过接收机的接收操作，完成接收操作，获得隧道掌子面前方远距离含水目标体的观测数据。优选的，所述通过发射机的发射操作，完成发射操作的步骤，包括将发射机面板上的红色或黑色电源接线柱分别连接电池箱的正极、负极；将发射机面板上的红色或黑色发送线圈接线柱分别连接供电线圈的两个端点；通过电缆同步的方式，将多芯电缆接在发射机与接收机的连接位置上；将接收机的开关拨到外电源的位置，完成了发射机的发射操作。优选的，所述通过接收机的接收操作，完成接收操作，获得隧道掌子面前方远距离含水目标体的观测数据的步骤，包括通过启动中功率瞬变电磁仪键盘上的采样键，中功率瞬变电磁仪依据设置的工作参数，对隧道掌子面前方远距离含水目标体启动采样的过程；通过启动中功率瞬变电磁仪键盘上的置参键，中功率瞬变电磁仪依据设置的工作参数，对隧道掌子面前方远距离含水目标体启动置参的过程；通过启动中功率瞬变电磁仪键盘上的检测键，中功率瞬变电磁仪依据设置的工作参数，对隧道掌子面前方远距离含水目标体启动检测的过程；通过启动中功率瞬变电磁仪键盘上的选项键，中功率瞬变电磁仪依据设置的工作参数，对瞬变掌子面前方远距离含水目标体启动显示中功率瞬变电磁仪所设置的工作参数的当前状态；通过启动中功率瞬变电磁仪键盘上的记录键，中功率瞬变电磁仪依据设置的工作参数，对瞬变掌子面前方远距离含水目标体启动记录中功率瞬变电磁仪所设置的工作参数的状态，完成采样过程，获得瞬变掌子面前方远距离含水目标体的观测数据。优选的，所述通过采用阻尼最小二乘算法，完成视电阻率数据的反演过程，获得隧道掌子面前方远距离含水目标体的视电阻率参数的步骤，包括 建立目标函数i
权利要求
1.隧道掌子面前方远距离含水目标体的瞬变电磁预报方法，其特征在于，包括通过使用中功率瞬变电磁仪，对隧道掌子面前方远距离含水目标体进行探测，获得隧道掌子面前方远距离含水目标体的观测数据；通过采用阻尼最小二乘算法，完成视电阻率数据的反演过程，获得隧道掌子面前方远距离含水目标体的视电阻率参数；通过采用遗传算法，获得隧道掌子面前方远距离含水目标体的电导率参数； 依据所获得的视电阻率参数及电导率参数，对观测数据进行解释，获得隧道掌子面前方远距离含水目标体的信息。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述隧道掌子面前方远距离含水目标体的预报距离范围为0至100米之内。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述隧道掌子面前方远距离含水目标体的信息为隧道掌子面前方远距离含水目标体的电性信息、位置信息、大小信息及形状信息。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述中功率瞬变电磁仪通过采用在小功率瞬变电磁仪的基础上，外加中功率发射机的方法，实现了对隧道掌子面前方远距离含水目标体进行预报的过程。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过使用中功率瞬变电磁仪，对隧道掌子面前方远距离含水目标体进行探测，获得隧道掌子面前方远距离含水目标体的观测数据的步骤，包括通过发射机的发射操作，完成发射操作；通过接收机的接收操作，完成接收操作，获得隧道掌子面前方远距离含水目标体的观测数据。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述通过发射机的发射操作，完成发射操作的步骤，包括将发射机面板上的红色或黑色电源接线柱分别连接电池箱的正极、负极； 将发射机面板上的红色或黑色发送线圈接线柱分别连接供电线圈的两个端点； 通过电缆同步的方式，将多芯电缆接在发射机与接收机的连接位置上； 将接收机的开关拨到外电源的位置，完成了发射机的发射操作。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述通过接收机的接收操作，完成接收操作，获得隧道掌子面前方远距离含水目标体的观测数据的步骤，包括通过启动中功率瞬变电磁仪键盘上的采样键，中功率瞬变电磁仪依据设置的工作参数，对隧道掌子面前方远距离含水目标体启动采样的过程；通过启动中功率瞬变电磁仪键盘上的置参键，中功率瞬变电磁仪依据设置的工作参数，对隧道掌子面前方远距离含水目标体启动置参的过程；通过启动中功率瞬变电磁仪键盘上的检测键，中功率瞬变电磁仪依据设置的工作参数，对隧道掌子面前方远距离含水目标体启动检测的过程；通过启动中功率瞬变电磁仪键盘上的选项键，中功率瞬变电磁仪依据设置的工作参数，对瞬变掌子面前方远距离含水目标体启动显示中功率瞬变电磁仪所设置的工作参数的当前状态；通过启动中功率瞬变电磁仪键盘上的记录键，中功率瞬变电磁仪依据设置的工作参数，对瞬变掌子面前方远距离含水目标体启动记录中功率瞬变电磁仪所设置的工作参数的状态，完成采样过程，获得瞬变掌子面前方远距离含水目标体的观测数据。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过采用阻尼最小二乘算法，完成视电阻率数据的反演过程，获得隧道掌子面前方远距离含水目标体的视电阻率参数的步骤， 包括建立目标函数
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过采用遗传算法，获得隧道掌子面前方远距离含水目标体的电导率参数的步骤，包括
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于所述隧道掌子面前方远距离含水目标体的电导率参数为视纵向电导S τ及视深度h τ。
全文摘要
本发明提供了隧道掌子面前方远距离含水目标体的瞬变电磁预报方法，包括通过使用中功率瞬变电磁仪，对隧道掌子面前方远距离含水目标体进行探测，获得隧道掌子面前方远距离含水目标体的观测数据；通过采用阻尼最小二乘算法，完成视电阻率数据的反演过程，获得隧道掌子面前方远距离含水目标体的视电阻率参数；通过采用遗传算法，获得隧道掌子面前方远距离含水目标体的电导率参数；依据所获得的视电阻率参数及电导率参数，对观测数据进行解释，获得隧道掌子面前方远距离含水目标体的信息。本发明能够获得隧道掌子面前方远距离的含水目标体的信息，从而实现采用瞬变电磁法，对隧道掌子面前方远距离的含水目标体进行预报的过程。
文档编号G01V3/12GK102419454SQ20111018098
公开日2012年4月18日 申请日期2011年6月30日 优先权日2011年6月30日
发明者李貅, 杨治源, 薛囯强 申请人:中国科学院地质与地球物理研究所